某型飛機飛行參數采集器電源板6.3V 輸出異常故障分析

陳明新，程彥霖，王輝

（國營蕪湖機械廠，江蘇 蕪湖 241000）

飛行參數記錄系統是飛機上一種重要的機載電子設備，用來采集和記錄飛機飛行過程中的重要數據，與飛機的飛行安全密切相關。飛行參數記錄系統一般由采集器和記錄器組成。某型飛機飛行參數采集器采集飛機航電系統和非航電系統的各個子系統的數據信息，并將這些信息按照規定的格式，通過總線傳輸至記錄器保存，同時采集器電源板輸出6.3V 電壓供機上傳感器使用。由于飛機的差異，使飛機飛行參數記錄系統記錄的數據產品偏移，直接影響數據的真實性，因此為保證記錄數據的準確性，必須對飛行參數進行標定。當傳感器6.3V 電壓異常時，直接導致傳感器輸出超差，標定無法進行或標定不準確。

1 故障現象

某型飛機在地面進行飛參標定時，發現過載傳感器輸出的模擬電壓值超下限，經機上測量該過載傳感器的供電電壓不到6.2V。斷開過載傳感器機上電源，外接6.3V工作電壓，過載傳感器輸出的模擬電壓值在正常范圍內，故障定位到過載傳感器6.3V 工作電壓時導致出現問題。過載傳感器的6.3V 工作電壓由飛行參數采集器電源板提供，進而開展對該電源板6.3V 電路輸出異常的分析。

2 6.3V 生成原理分析

電源板6.3V 電壓生成原理如圖1 所示。D1 型號為OPA512SM，為高功率運算放大器；R1、R2 阻值為3.83Ω 電阻，為限制電阻；R5 阻值為6.57kΩ，R6 電阻為10.4kΩ，R5 和R6 構成運算放大器的反饋回路，決定運算放大器的放大比例；R3 和R4 的阻值分別為10.42kΩ、6.69kΩ，起到分壓的作用；C1 為濾波作用；C2 為負載等效電容。

圖1 電源板6.3V 電壓生成電路圖

D1 由Burr Brown 公司生產，具有輸出功率大、失真小和耐持久的特點。該功放管集成電路內置有限壓、限流保護電路，即使輸入電流高達15A(峰值)的情況下也能正常工作。該器件的輸出級工作在甲、乙類狀態，失真小、靜態電流小。D1 為 6.3V 生成的核心。

從圖1 中，可以看出D1 為同相比例放大器的接法，其放大比例K=1+R5/R6, D1 輸出電壓U=VIN*K。通過計算可得K=1.632、VIN=10*R4/（R3+R4）=3.91V，從理論上可以計算得出D1 的理論輸出值為6.35V。

3 6.3V 帶載能力分析

電源板6.3V 為傳感器供電，傳感器為電容和電阻組成的負載。在直流的條件下，電容的大小不會引起負載變化，因此電源板6.3V 的負載可以等效為純電阻。

通過查閱D1 的器件手冊，其最大帶載的計算公式為IMAX=((0.65+0.28)*U/(20+RVI))/(R1+0.007)。RVI 為器件輸出電阻（引腳1 的對地電阻），通過測量該值為26.448kΩ?？捎嬎愠霎斍霸O計的最大帶載IMAX=0.169A，即從理論上分析可以得出當帶載電阻大于37.3Ω，就將滿足設計要求。實際飛機上6.3V 負載電阻下限約80Ω，遠遠大于37.3Ω，說明設計可以保證帶載。

在電源板6.3V 輸出端負載80Ω 電阻，發現6.3V 輸出略有降低，但在合格范圍內，說明電源板6.3V 輸出在正常帶載情況下不會引起過載傳感器輸出偏低故障。

4 6.3V 電路控制模型建立與分析

4.1 6.3V 電路控制模型建立

電源板6.3V 電壓電路為典型的閉環控制系統，其控制模型如下圖2 所示。閉環傳遞函數計算如公式（1）。

圖2 6.3V 電路控制模型框圖

式中：

H（s）—閉環傳遞函數；

a（s）—運算放大器開環傳遞模型；

b（s）—容性負載等效模型；

c（s）—反饋環路模型。

OPA512SM 運算放大器開環傳遞函數參考公式（2）等效。

容性負載主要由運算放大器輸出電阻和容性負載組成,容性負載等效模型為公式（3）。

式中：

r0—輸出阻抗；

CL—負載電容（在圖1 中的電容C2）；

輸出阻抗r0的計算為公式（4）。

式中：

Z0—運算放大器開環時輸出電阻（RVI）；

α—開環放大倍數；

β—反饋因子。

由于α=105,β=R6/(R5+R6)=0.613，Z0=26.448kΩ。可得出r0=43.16Ω。

c(s)為反饋網絡的傳遞函數，其計算為公式（5）。

將參數代入公式中（1），軟件中建立的6.3V 電路控制模型如圖3 所示。

圖3 電路控制模型

4.2 6.3V 電路控制分析

6.3V 電路的波特圖如圖4 所示。從圖4 中可以看出產品的自然振蕩頻率為10.1kHz，之后相位極劇下降至-180°，相位裕度不足3°，相對穩定性極差，易導致自激振蕩，使系統處于不穩定狀態，導致電路輸出異常。

圖4 電路波特圖

圖5 加裝電容后電路控制模型

5 驗證

為排除自激振蕩導致的6.3V 輸出降低故障，在電源板6.3V 輸出端加裝10uF 電容。從圖6 可以看出加裝電容后，相位裕度大幅提高，不存在自激震蕩發生的可能。經過實際驗證，過載傳感器的供電恢復正常，過載傳感器輸出值恢復正常，說明該故障為電路自激震蕩所致。

圖6 加裝電容后電路波特圖